JP4057812B2

JP4057812B2 - Ultrasonic transceiver and scanning sonar

Info

Publication number: JP4057812B2
Application number: JP2001401798A
Authority: JP
Inventors: 靖西森; 実半田; 史郎小篠
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2021-12-28
Also published as: JP2003202370A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超音波の送受信によって水中等を探知する超音波送受信装置およびスキャニングソナーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水中にある物標を探知するためにスキャニングソナーが用いられている。スキャニングソナーは、周囲の全方位の物標を探知するために、図１に示すように、ほぼ円筒形のトランスデューサを備えている。このトランスデューサの各振動子の駆動によって、全周に向けて超音波の送信ビームを形成する。その際、トランスデューサの各振動子を駆動する信号には、各段ごとに適当な遅延時間または位相差をもたせる制御を行う。このことによって、垂直方向の指向性を所定角度に絞った、所定ティルト角の傘型の送信ビームを形成する。また、トランスデューサの円周方向（方位方向）に並ぶ所定数の振動子を用いて、所定方位に受信ビームを形成し、用いる振動子列の組の選択を切り換えることによって、受信ビームの方位を順次回転させる。このことによって全方位に亘る探知を行う。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のスキャニングソナーにおいては、所定ティルト角で全周囲方向に探知を行う水平モードと、上記ティルト角を大きくして、略垂直方向の扇形の断面を探知する垂直モードとが存在する。水平モードは、主に自船周囲の所定範囲内の物標を探知する場合に用いられ、垂直モードは、主に自船の略真下方向の所定幅に広がる範囲内の物標を探知する場合に用いられる。
【０００４】
上記水平モードと垂直モードは探知目的に応じて、通常いずれかのモードが設定されるが、場合によっては、自船周囲の探知と共に自船の真下方向の探知をも同時に行いたい場合がある。そのような用途のために、単一の表示画面内に水平モードの探知画像と、垂直モードの探知画像を同時に表示する水平・垂直複合モードというモードもある。
【０００５】
しかし、従来のスキャニングソナーの探知方法では、所定探知範囲に単一の周波数を使って超音波パルスを送信し、物標などからの反射波を所定方位毎に順次受信することによって、所定断面の探知画像を求めるようにしたものである。したがって、水平モードの探知画像のために、水平モード用の送信ビームの形成制御および受信ビームの形成制御を行い、垂直モードの探知のために、垂直モードのための送信ビームの形成制御および受信ビームの形成制御を行う、といった動作を交互に繰り返す必要があった。
【０００６】
そのため探知画像の更新周期が遅くなり、変化の早い探知画像が得られない。また、単一の表示画面内に水平モードと垂直モードのそれぞれの探知画像を表示しても、その二つの探知画像は、同時刻における、または極近接した時刻における探知画像ではないので、その時間的なずれに伴って水平モードの探知画像と垂直モードの探知画像とを比較して判読する際に、両画像の対応関係の把握が困難になる場合が生じる。
【０００７】
上述の問題は、水平モードと垂直モードの２つのモードにおける探知画像を同時に求める場合に限らず、水平または水平から所定角度ティルトした方向である横方向と、垂直または垂直から所定角度ティルトした方向である縦方向の物標を同時に、または近接した時間内に、探知する場合にも生じる問題である。
【０００８】
また、物標探知のための超音波信号の送受信と、それとは別の目的で送信された超音波信号の受信等を並行して行うような場合に、受信信号同士の干渉を防止することが重要である。従来は、例えば潮流測定用超音波信号の送受信や、魚群探知用超音波信号の送受信を行うタイミングでは、スキャニングソナーとしての探知動作を一時停止する制御を行っていた。しかし、これでは、探知動作が間欠的になって、短時間周期での探知ができなかった。
【０００９】
この発明の目的は、超音波信号の送受信による横方向または縦方向の探知動作を短時間周期で行えるようにし、また、所望の受信信号以外の受信信号による干渉を受けないようにした、超音波送受信装置およびスキャニングソナーを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、トランスデューサに配列した複数の振動子を駆動して送信ビームを形成し、前記トランスデューサの複数の振動子が受けた信号を制御して受信ビームを形成し、横方向または縦方向へ広がる複数の探知範囲の前記送信ビームと前記受信ビームとによる探知を、探知範囲毎に異なる周波数で行う超音波送受信装置において、
複数の探知範囲それぞれに対応する送信ビームを形成するための、前記振動子に与えるべき駆動信号に関する波形を生成するプログラマブル送信ビーム形成制御手段と、
該波形に基づく駆動信号により前記振動子を駆動し、前記送信ビームを形成する送信手段と、
前記振動子による受信信号を増幅し、ディジタル信号に変換する受信手段と、
前記ディジタル信号に対して、受信ビームの方向を定める位相制御演算を施して合成し、複数の探知範囲それぞれに対応する合成受信信号を生成するプログラマブル受信ビーム形成制御手段と、
複数の探知範囲それぞれに対応する周波数のフィルタ係数を生成し、それらのフィルタ係数に基づいて、各合成受信信号にフィルタ演算を施して各探知範囲の周波数成分を受信信号として抽出するプログラマブルフィルタ手段と、
前記探知範囲を指示する入力部と、
前記入力部の指示内容に従って、前記プログラマブル送信ビーム形成制御手段と前記プログラマブル受信ビーム形成制御手段と前記プログラマブルフィルタ手段とを制御する制御部と、
を備える。
【００１１】
このように、１つのトランスデューサを用いて、横方向または縦方向の複数方向に同時に送信ビームを形成する。これらの複数方向に超音波送信ビームを同時に形成しても、それぞれの周波数が異なっているため、また、送信信号の周波数に応じた周波数成分を受信信号から抽出するようにしたため、横方向または縦方向の複数方向からの反射信号を同時に受信しても相互干渉の影響を受けない。
【００１２】
また、この発明は、前記送信ビーム形成手段が前記送信ビーム毎に異なる周波数信号を同時に送信して送信ビームを形成することを特徴とする。このことにより、送信ビーム形成期間（送信信号の送信期間）が長くならず、単一の探知すべき方向へ送信ビームを形成する期間と同じとなり、短い時間間隔で探知を行えるようになる。
【００１３】
また、この発明は、前記送信ビームの形成手段が送信ビームの形成期間中に送信ビーム毎に時分割して送信ビームを形成し、前記受信ビーム形成手段が、送信ビームの形成期間に続く受信ビーム形成期間に受信信号を抽出することを特徴とする。すなわち、ある１つの探査すべき方向へ送信ビームを形成し、その送信ビーム方向からの反射信号を受けるために受信ビームを形成する、というシーケンスを複数の方向について順次行うのではない。一連の送信ビームの形成期間中に、探知すべき横方向または縦方向の複数方向へ送信ビームを順次形成し、その送信ビームの形成期間に続く受信ビーム形成期間に、それぞれの方向ごとの受信信号を抽出する。そのため、探知時間間隔が長くならず、短期間周期で横方向または縦方向の複数方向の探知を行えるようになる。しかもトランスデューサの各振動子は単一の周波数で駆動されるため、送信パワーが犠牲にならず、遠距離までの探知が可能となる。
【００１４】
また、この発明は、前記送信ビーム形成手段を、前記振動子に与えるべき駆動信号の波形をパルス幅変調（ＰＤＭ：pulse-duration modulation ）した信号として生成する手段と、該パルス幅変調された信号をアナログ信号に変換するとともに増幅して前記振動子を駆動する手段とから構成し、
前記受信ビーム形成手段を、前記振動子による受信信号を増幅し、ディジタル信号に変換する手段と、前記ディジタル信号に対して、受信ビームの方向を定める位相制御演算を施す手段と、前記送信周波数の成分を抽出するフィルタ演算を施す手段とから構成する。
【００１５】
これにより、各振動子毎に設ける、振動子の駆動回路へのデータ伝送が容易になり、且つノイズの影響を受けにくくなる。また、各振動子の受信信号毎にディジタル信号を得るので、各振動子の受信信号の処理部への伝送が容易になり、しかもディジタル演算によって、位相制御およびフィルタリングを行うので、ノイズの影響を受けにくくなる。
【００１６】
また、この発明は、複数の振動子を配列したトランスデューサと、該トランスデューサの複数の振動子を駆動して、横方向または縦方向の複数方向へ超音波の送信ビームを形成する送信ビーム形成手段と、前記トランスデューサの複数の振動子が受けた信号を制御して、受信ビームを形成する受信ビーム形成手段と、を備え、前記横方向または縦方向の探知を行う超音波送受信装置において、
前記トランスデューサを、円筒面上または球面上に前記複数の振動子を配列したものとし、
前記送信ビーム形成手段は、前記振動子に与えるべき駆動信号の波形をパルス幅変調した信号として生成する手段と、該パルス幅変調された信号をアナログ信号に変換するとともに増幅して前記振動子を駆動する手段とからなり、前記送信ビーム毎に前記振動子の駆動周波数を異ならせて、所定送信周波数の送信ビームを形成するものであり、
前記受信ビーム形成手段は、前記振動子による受信信号を増幅し、ディジタル信号に変換する手段と、前記ディジタル信号に対して、受信ビームの方向を定める位相制御演算を施して合成受信信号を生成する手段と、該合成受信信号に対して前記送信周波数の成分を抽出するフィルタ演算を施して前記送信ビームの前記送信周波数に対応した周波数成分を受信信号として抽出する帯域通過フィルタ手段とから構成する。
【００１７】
また、この発明のスキャニングソナーは、上記超音波送受信装置と、該超音波送受信装置の送信制御手段および受信制御手段の制御により、探査すべき方位を順次走査して、各方位の受信信号から探知範囲の探知画像データを求め、該探知画像データを表示する手段とを備える。
また、この発明の超音波送受信装置は、複数の振動子を配列したトランスデューサと、互いに異なる周波数にそれぞれ対応する前記トランスデューサの複数の振動子を前記互いに異なる周波数の探知信号でもってそれぞれ駆動して、横方向の広範囲探査領域に対しておよび縦方向の広範囲探査領域に対して超音波の送信ビームをそれぞれ形成する送信ビーム形成手段と、前記トランスデューサの複数の振動子が受信した信号を制御して、前記横方向および縦方向の広範囲探査領域の互いに異なる方向にそれぞれ複数の受信ビームを形成し前記送信ビームの送信周波数に対応した周波数成分を受信信号として抽出する受信ビーム形成手段とを備えたことを特徴とする。
また、この発明の超音波送受信装置は、複数の振動子を配列したトランスデューサと、互いに異なる周波数にそれぞれ対応する前記トランスデューサの複数の振動子を前記互いに異なる周波数の探知信号でもってそれぞれ駆動して、互いに異なる二方向の広範囲探査領域に対して超音波の送信ビームをそれぞれ形成する送信ビーム形成手段と、前記トランスデューサの複数の振動子が受信した信号を制御して、前記二方向の広範囲探査領域の互いに異なる方向にそれぞれ複数の受信ビームを形成し前記送信ビームの送信周波数に対応した周波数成分を受信信号として抽出する受信ビーム形成手段とを備えたことを特徴とする。
また、この発明の超音波送受信装置は、複数の振動子を配列したトランスデューサと、該トランスデューサの複数の振動子を駆動して、広範囲探査領域に対して超音波信号を送信する送信手段と、前記トランスデューサの複数の振動子が受信した信号を制御して、複数方向の広範囲探査領域においてそれぞれ互いに異なる方向に複数の受信ビームを形成する受信ビーム形成手段とを備えたことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
各図を参照して、この発明のスキャニングソナーについて説明する。
図１はスキャニングソナーに用いるトランスデューサの構成図である。図１に示すように、トランスデューサ１は、１段６４列、５段の合計３２０個の超音波振動子Ａｉｊ（ｉ＝１〜６４、ｊ＝１〜５）で構成している。このトランスデューサ１は、船舶の底部に円筒の軸が垂直になるように設置される。
【００１９】
図２は送信ビームについて説明する図である。同図の（Ａ）は、水平の全方位を探査する場合に形成される送信ビームの指向性を示している。（Ｂ）は、所定ティルト角の全方位を探査する場合に形成される送信ビームを示している。各振動子を駆動する際、トランスデューサ１の下の段ほど遅延時間を長くすることにより傘型の送信ビームを所定角度だけ下方向にティルトさせる。
【００２０】
図３は受信ビームについて示す図である。受信ビームは、トランスデューサ１の円周方向の連続する複数列の振動子を組として用いる。所定数連続する複数列の振動子の受信信号を合成する際、（Ａ）に示すように、連続する複数列の中央部ほど位相を遅らせて合成することにより、（Ｂ）に示すように、水平方向の指向性を鋭くする。また、トランスデューサ１の段方向に遅延時間を設定することによって、ティルト角を制御するとともに、垂直方向の指向性も鋭くする。このことにより、所謂ペンシル型の受信ビームを形成する。
（Ｃ）はその遅延時間を一定にした例であり、（Ｄ）に示すように、受信ビームは水平方向を向く。（Ｅ）は、下の段ほど遅延時間を長くした例であり、（Ｆ）に示すように、受信ビームは下方向にティルトする。
【００２１】
このように傘型の送信ビームを形成し、その送信ビーム内の所定方位をペンシル型の受信ビームで受信することにより、傘型の探知範囲について探知する。
【００２２】
図４は上記送信ビームと受信ビームによる探知範囲を示す図である。ここで、ＴＢは傘型の送信ビーム、ＲＢはペンシル型の受信ビームである。上記トランスデューサ１の列方向の複数の振動子の組を６４組とすれば、方位方向に６４本の分解能で受信ビームＲＢを形成することができる。また、距離方向については、時間軸上のサンプリング周期に応じた分解能で、送信ビームＴＢ内の任意の区画Ｐについて探知画像データを順次生成する。
【００２３】
図４において、送信ビームを水平（θ＝９０°）方向またはそれより所定角度ティルトさせることにより、横方向の探知を行う。
【００２４】
以上に示した例では、円筒面に複数の振動子を配列したトランスデューサを用いたが、球面の全面またはその一部の面に複数の振動子を配列したトランスデューサを用いてもよい。
【００２５】
図５は、上記トランスデューサを用いて、縦方向の探知を行う例について示す図である。図５の（Ａ），（Ｂ）は、矢印で示す船首方位に対してベアリング角αをなす垂直面の探知範囲について示している。（Ａ）は円筒形のトランスデューサ１を用いた場合の例、（Ｂ），（Ｃ）は球形のトランスデューサ１′を用いた例である。
【００２６】
このように、縦方向の探知では、縦方向に扇状に広がる範囲を探知する。但し、円筒形のトランスデューサ１を用いた場合には、真下方向へは送信ビームおよび受信ビームを形成できないので、真下付近は探知対象外となる。
なお、図５（Ｃ）は、球形のトランスデューサ１′を用い、真下方向から水平方向までの９０°分について探知する例である。
【００２７】
このように、図５に示した所定ベアリング角αをなす垂直面に沿って扇形に広がる送信ビームを形成し、その扇形に沿って、ペンシル型の受信ビームのティルト角を順次高速に変化させることにより、すなわち受信ビームの走査を行うことによって、縦方向の探知を行う。
【００２８】
図６は、スキャニングソナーの送受信チャンネルの構成を示すブロック図である。図６において、ドライバ回路１２は、インターフェース２０，１１を介して、後述する制御部から与えられたパルス幅変調された２値送信信号をアナログ信号に変換する。ＴＸ増幅回路１３は、その送信信号を増幅し、送受切替回路１４を介して振動子１０を駆動する。送受切替回路１４は、送信期間にＴＸ増幅回路１３の出力信号を振動子１０へ導き、受信期間に、振動子１０が出力した信号をプリアンプ１５へ受信信号として導く。プリアンプ１５は、この受信信号を増幅し、バンドパスフィルタ１６は、受信信号の周波数帯域以外のノイズ成分を除去する。Ａ／Ｄコンバータ１７は、その受信周波数帯域の信号を所定のサンプリング周期でサンプリングし、ディジタルデータ列に変換する。
【００２９】
上記の部分で送受信チャンネル１００を構成する。この送受信チャンネルを、１００ａ，１００ｂ，・・・１００ｎで示すように、振動子１０の数だけ設けている。
【００３０】
図７は、図６に示した複数の送受信チャンネル１００を用いて送信ビームおよび受信ビームを形成するとともに、所定探知範囲の探知画像を生成するためのブロック図である。図７におけるインターフェース２０は、図６に示したインターフェース２０のことである。図７において、２６はプログラマブル送信ビーム形成制御部である。このプログラマブル送信ビーム形成制御部２６は、送信信号生成回路２１、波形メモリ２４およびＴＸ−ＤＳＰ２５を含んでいる。送信信号生成回路２１には、タイミングジェネレータ２２と係数テーブル２３とを設けている。この送信信号生成回路２１は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array ）からなる。タイミングジェネレータ２２は、送信信号の生成タイミングの基準となる信号を発生する。係数テーブル２３は振動子各チャンネルに与える遅延量，ウエイト値（こられはＴＸ−ＤＳＰ２５が計算して求める。）を予め書き込んだものである。波形メモリ２４は送信信号の基本となる波形を一時記憶するメモリである。ＴＸ−ＤＳＰ２５は送信信号生成用ＤＳＰ（ディジタル信号処理器）である。このＴＸ−ＤＳＰ２５は、ＰＤＭによるパルス幅変調した２値の波形データを生成し、これを波形メモリ２４に書き込む。また、このＴＸ−ＤＳＰ２５は、送信毎に係数テーブル２３の内容を計算し、更新する。送信信号生成回路２１は、波形メモリ２４から波形データを読み出し、係数テーブル２３を参照し、インターフェース２０を介して、パルス幅変調された２値送信信号を、送受信チャンネル１００へ与える。
【００３１】
バッファメモリ２７は、インタフェース２０を介して各チャンネルからの受信データを一時記憶するメモリである。２８はプログラマブル受信ビーム形成制御部であり、ＲＸ−ＤＳＰ２９、係数テーブル３０、および受信ビーム形成演算部３１とから構成している。ＲＸ−ＤＳＰ２９は、各受信ビーム毎に各振動子による受信信号の位相とウエイトを計算し、係数テーブル３０へ書き込む。受信ビーム形成演算部３１は、各振動子の受信信号に対して係数テーブル３０に書き込まれた位相とウエイトの計算を行って合成することにより合成受信信号を得る。この合成受信信号をビーム毎の時系列データとして求め、これをバッファメモリ３２へ書き込む。この受信ビーム形成演算部３１は、ＦＰＧＡからなる。
【００３２】
上述の例では、複数の振動子が受けた信号を位相制御して、所定方向へ受信ビームを形成するようにしたが、各振動子の信号を遅延させる遅延回路をを設ける遅延方式によってもよい。また、受信信号に予めドップラシフトをもたせ、受信信号にマッチドフィルタをかけることによって受信ビームの方向を制御するマッチドフィルタ方式によってもよい。
【００３３】
３３はプログラマブルフィルタであり、フィルタＤＳＰ３４、係数テーブル３５、およびフィルタ演算部３６から構成している。フィルタ演算部３６はＦＰＧＡからなる。フィルタＤＳＰ３４は、ビーム毎に所定の通過帯域フィルタ特性を得るためのフィルタ係数を計算し、それを係数テーブル３５へ書き込む。フィルタ演算部３６は係数テーブル３５の係数を基にＦＩＲ（Finite Impulse Response ）フィルタとしての演算を行い、帯域処理済受信信号を求める。
【００３４】
エンベロープ検出部４０は、各受信ビームの帯域処理済受信信号のエンベロープ（包絡線）を検出する。具体的には、時間波形の実数成分の二乗と虚数成分の二乗との和の平方根を求めることにより検出する。
【００３５】
イメージ処理部４１は、各受信ビームの各距離における受信信号強度をイメージ情報化してディスプレイ４２へ出力する。これによりディスプレイ４２に所定探知範囲の探知画像を表示する。
【００３６】
操作部３９は、探知範囲のティルト角等の指示等を行う入力部である。ホストＣＰＵ３７は、インターフェース３８を介して操作部３９の指示内容を読み取り、上述した各部の制御を行う。
【００３７】
図８は図６に示したドライバ回路１２の構成を示す回路図である。また図９はその各部の波形図である。
図８において、Ｑａ〜ＱｄはそれぞれＭＯＳトランジスタ、ＬｓはトランジスタＱａ，Ｑｂのゲートに対して所定レベルのゲート電圧を出力するレベルシフト回路、ＩはトランジスタＱｃ，Ｑｄのゲートに対するゲート電圧を出力するインバータ回路（ＮＯＴゲート）である。また、Ｄｉは各トランジスタＱａ〜Ｑｄのターンオフ時にドレイン−ソース間に生じるサージ電圧を吸収するためのダイオードである。
【００３８】
図８において、ＩＮ１，ＩＮ２に対して矩形波信号を入力することにより、Ａ〜Ｄで示す各点の電圧信号は、図９に示すようになる。信号Ａ〜Ｄがハイレベルの時、それをゲート電圧とするトランジスタＱａ〜Ｑｄが導通し、信号Ａ〜Ｄがローレベルの時、トランジスタＱａ〜Ｑｄは遮断状態となる。従って、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２からは、図９に示すような電圧信号が出力される。この２つの出力電圧ＯＵＴ１とＯＵＴ２の差の電圧（ＯＵＴ１−ＯＵＴ２）が出力信号として得られる。
【００３９】
入力信号ＩＮ１，ＩＮ２のオンデュティー比を大きくすれば、トランジスタＱａ，Ｑｂのオン期間が長くなり、（ＯＵＴ１−ＯＵＴ２）の正電圧期間および負電圧期間、すなわち０ボルト以外の期間が長くなる。このことによってパルス幅変調の復調が行われる。
【００４０】
図９において、（ａ）〜（ｄ）は、（ＯＵＴ１−ＯＵＴ２）の出力波形と、それを平滑化した波形との関係を示している。（ＯＵＴ１−ＯＵＴ２）の波形が（ａ）に示す時、その平滑信号は（ｂ）のようになる。また（ＯＵＴ１−ＯＵＴ２）の波形が（ｃ）である時、その平滑信号は（ｄ）のようになる。このようにして、入力信号ＩＮ１，ＩＮ２のオンデュティー比に略比例した振幅の正弦波信号が得られる。
【００４１】
図１０はスキャニングソナーの探知動作時のタイミングチャートを示すものである。図１０において、「送信信号」はトランスデューサの複数の振動子のうち１つの振動子へ与えられる駆動波形（送信信号）を代表して示している。この例では周波数ｆ１（例えば２３ｋＨｚ）の送信信号を水平モードのための送信信号とし、周波数ｆ２（例えば２５ｋＨｚ）の信号をＶモードのための送信信号として出力する。この２つの送信信号は送信ビーム形成期間中に相次いで送信する。
【００４２】
「受信Ａ／Ｄデータ」は、図６に示したＡ／Ｄコンバータ１７により変換された時系列データである。受信ビーム形成期間に、各チャンネルからの時系列データを処理する。
「ＲＸＢＭＦ出力」は、図７に示したプログラマブル受信ビーム形成制御部２８の処理によって、横方向の探知を行うＨモードの受信ビームと、縦方向の探知を行うＶモードの受信ビームをそれぞれ形成する。プログラマブル受信ビーム形成制御部２８が１２８本の受信ビームを形成する能力がある場合、Ｈモード用に６４本、Ｖモード用に６４本のビームを割り当てて、Ｈモードについては、全周囲方向に６４本の受信ビームを形成し、Ｖモードについては、所定角度範囲に６４本の受信ビームを形成する。
【００４３】
「フィルタ出力」は、上記各受信ビームについてＨモード用とＶモード用にそれぞれ応じた周波数フィルタリングを行う。すなわちＨモード用の受信ビームの信号を抽出するために、２３ｋＨｚを中心周波数とする所定帯域幅の周波数成分を抽出する。また、Ｖモードの受信ビームの信号を抽出するために、２５ｋＨｚを中心とする所定周波数帯域の周波数成分を抽出する。
【００４４】
「描画処理」は、このようにして求めた両モードの受信ビームについて図７に示したエンベロープ検出部４０でエンベロープを検出し、イメージ処理部４１でＨモードおよびＶモードの画像データを生成し、これをディスプレイ４２に表示する。
【００４５】
以上の送信ビーム形成期間と、それに続く受信ビーム形成期間とを１つのシーケンスとして、これを繰り返す。尚、ｆ１で示すＨモード用の送信信号と、ｆ２で示すＶモード用の送信信号とは送信タイミングが異なっているので、ＨモードとＶモードの描画処理時には、その時間差分の補正を行う。
【００４６】
上述の例では、送信ビーム形成期間中に２つの送信ビーム形成用の送信信号を時分割的に送信したが、これらを同時に送信しても良い。図１１はその場合の例について示している。図１１においてｆ１，ｆ２は横方向と縦方向へ送信ビームを形成する送信信号である。ｆ１＋ｆ２は両信号の合成信号を波形として表している。例えば、ｆ１をＨモードのための信号、ｆ２をＶモードのための信号とすれば、このような１回の送信信号の送信で、ＨモードとＶモードの探知画像を形成することができる。
【００４７】
以上に示した例では、ＨモードとＶモードの２つのモードについて探知を行う場合について説明したが、例えばＨモードだけについても、ティルト角の異なった複数の断面について同時に探知を行う場合にも同様に適用できる。
【００４８】
例えば、図１２は、ティルト角の異なった３つの横方向の送信ビームを同時に形成した例を示している。これら３つの送信ビームＨ１，Ｈ２，Ｈ３は、送信周波数が異なっていて、受信ビームの形成の際に、３つの送信ビームＨ１，Ｈ２，Ｈ３の送信周波数に対応した周波数成分をそれぞれ受信信号として抽出する。
【００４９】
図１０に示したように、送信ビーム毎に異なった周波数の送信信号を時分割して送信する場合には、周波数の異なった３つのトーンバースト波を順次送信することになる。また、図１１に示したように、複数の送信信号の合成信号を送信する場合には、周波数の異なった３つのトーンバースト波を合成した合成信号を送信することになる。
このことにより、３つの送信ビームの断面について同時に探知を行うことができる。４つ以上の送信ビームを形成する場合についても同様である。
【００５０】
また、例えば、図１３は、方位角の異なった２つの縦方向の送信ビームを同時に形成した例を示している。これら２つの送信ビームＶ１，Ｖ２は、送信周波数が異なっていて、受信ビームの形成の際に、２つの送信ビームＶ１，Ｖ２の送信周波数に対応した周波数成分をそれぞれ受信信号として抽出する。
【００５１】
このことにより、２つの縦方向の送信ビームの断面について同時に探知を行うことができる。３つ以上の送信ビームを形成する場合についても同様である。
【００５２】
また、例えば、図１４は、方位角の異なった２つの縦方向の送信ビームＶ１，Ｖ２と、１つの横方向の送信ビームＨ１とを同時に形成した例を示している。これら３つの送信ビームＶ１，Ｖ２，Ｈ１は、送信周波数がそれぞれ異なっていて、受信ビームの形成の際に、３つの送信ビームＶ１，Ｖ２，Ｈ１の送信周波数に対応した周波数成分をそれぞれ受信信号として抽出する。
【００５３】
このことにより、２つの縦方向の送信ビームＶ１，Ｖ２の断面と、１つの横方向の送信ビームＨ１の断面について同時に探知を行うことができる。図１４に示した例では、２つの縦方向の断面を表示する画面内にそれぞれ魚群が表示され、且つ１つの横方向の断面を表示する画面内に２つの魚群が表示される。
【００５４】
また、以上の例は、ある広がりをもった送信ビーム内を受信ビームで走査することにより、送信ビームによる断面内の探知画像を得る場合について示したが、本発明は、このような探知画像の形成のための超音波信号の送受信に限らない。例えば、潮流測定用超音波信号の送受信や、魚群探知用超音波信号の送受信を、スキャニングソナーとしての探知動作と並行して行う場合にも有効である。すなわち、潮流測定用超音波信号の送受信や、魚群探知用超音波信号の送受信と、スキャニングソナー方式の探知のための送受信とを、超音波信号の周波数を異なったものとすることにより、これらを同時に行うようにしてもよい。
【００５５】
なお、例えば、ネットゾンデやネットレコーダなどの他の超音波信号送信装置からの信号を受信する場合に、物標探知のための送受信信号の周波数を、上記超音波信号送信装置から送信される信号の周波数とは変えておくことにより、干渉なしに探知を行えるようになる。
【００５６】
【発明の効果】
この発明によれば、送信ビーム形成手段が、横方向および縦方向ごとに振動子の駆動周波数を異ならせて、送信周波数の送信ビームを形成し、受信ビーム形成手段が、送信ビームの送信周波数に対応した周波数成分を受信信号として抽出するようにしたため、複数の超音波送信ビームを同時に形成しても、複数の送信信号を同時に受信することによる相互干渉の影響を受けない。
【００５７】
また、この発明によれば、送信ビーム形成手段が横方向および縦方向へ同時に送信ビームを形成することにより、送信ビーム形成期間が長くならず、短時間間隔で探知を行えるようになる。
【００５８】
また、この発明によれば、送信ビームの形成手段が送信ビームの形成期間中に横方向と縦方向とで時分割して送信ビームを形成し、受信ビーム形成手段が、送信ビームの形成期間に続く受信ビーム形成期間に受信信号を抽出することにより、探知時間間隔が長くならず、短期間周期で横方向と縦方向の探知を行えるようになる。しかもトランスデューサの各振動子は単一の周波数で駆動されるため、送信パワーが犠牲にならず、遠距離までの探知が可能となる。
【００５９】
また、この発明によれば、振動子に与えるべき駆動信号の波形をパルス幅変調した信号として生成する手段と、該パルス幅変調された信号をアナログ信号に変換するとともに増幅して前記振動子を駆動する手段とを設けて、送信ビームを形成するようにしたので、各振動子毎に設ける、振動子の駆動回路へのデータ伝送が容易になり、且つノイズの影響を受けにくくなる。さらに、振動子による受信信号を増幅し、ディジタル信号に変換する手段と、該ディジタル信号に対して、受信ビームの方向を定める位相制御演算を施す手段と、送信周波数の成分を抽出するフィルタ演算を施す手段とを設けて、受信ビームを形成するようにしたので、各振動子の受信信号毎にディジタル信号を得ることになり、各振動子の受信信号の処理部への伝送が容易となり、しかもディジタル演算によって、位相制御およびフィルタリングを行うので、ノイズの影響を受けにくくなる。
【００６０】
また、この発明によれば、超音波送受信装置と、該超音波送受信装置の送信制御手段および受信制御手段の制御により、探査すべき方位を順次走査して、各方位の受信信号から探知範囲の探知画像データを求め、表示することにより、短時間周期で且つ実質上同時刻における複数の探知方向の探知画像を容易に把握できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】トランスデューサの構成例を示す斜視図
【図２】送信ビームの形成を説明するための図
【図３】受信ビームの形成を説明するための図
【図４】送信ビーム、受信ビーム、および探知範囲の関係を示す図
【図５】縦方向探知時の探知範囲の例を示す図
【図６】スキャニングソナーの送受信チャンネルの構成を示すブロック図
【図７】同スキャニングソナーの送受信チャンネルの制御を行う制御部のブロック図
【図８】図６におけるドライバ回路の構成を示す図
【図９】図８各部の波形図
【図１０】スキャニングソナーにおけるタイミングチャート
【図１１】２つの周波数信号を多重化した送信信号の例を示す図
【図１２】ティルト角の異なった３つの横方向の送信ビームを同時に形成した例を示す図
【図１３】方位角の異なった２つの縦方向の送信ビームを同時に形成した例を示す図
【図１４】方位角の異なった２つの縦方向の送信ビームＶ１，Ｖ２と、１つの横方向の送信ビームＨ１とを同時に形成した例を示す図
【符号の説明】
１，１′−トランスデューサ
１０−振動子
２１−送信信号生成回路
２６−プログラマブル送信ビーム形成制御部
２８−プログラマブル受信ビーム形成制御部
３３−プログラマブルフィルタ
１００−送受信チャンネル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic transmission / reception apparatus and scanning sonar that detect underwater or the like by transmission / reception of ultrasonic waves.
[0002]
[Prior art]
Scanning sonar is used to detect targets in the water. The scanning sonar includes a substantially cylindrical transducer as shown in FIG. 1 in order to detect surrounding omnidirectional targets. By driving each transducer of the transducer, an ultrasonic transmission beam is formed toward the entire circumference. At that time, a signal for driving each transducer of the transducer is controlled to have an appropriate delay time or phase difference for each stage. As a result, an umbrella-shaped transmission beam having a predetermined tilt angle is formed by narrowing the directivity in the vertical direction to a predetermined angle. Further, by using a predetermined number of transducers arranged in the circumferential direction (azimuth direction) of the transducer, a reception beam is formed in a predetermined direction, and the selection of a set of transducer arrays to be used is switched, thereby sequentially changing the direction of the reception beam. Rotate. In this way, detection is performed in all directions.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional scanning sonar, there are a horizontal mode in which detection is performed in the entire circumferential direction at a predetermined tilt angle, and a vertical mode in which the tilt angle is increased to detect a fan-shaped cross section in a substantially vertical direction. The horizontal mode is mainly used to detect targets within a predetermined range around the ship, and the vertical mode is mainly used to detect targets within a range extending almost directly below the ship. Used for.
[0004]
Either of the horizontal mode and the vertical mode is normally set according to the detection purpose. However, in some cases, it may be desired to simultaneously detect the vicinity of the own ship and the detection directly below the own ship. For such applications, there is also a mode called a horizontal / vertical combined mode in which a detection image in the horizontal mode and a detection image in the vertical mode are simultaneously displayed on a single display screen.
[0005]
However, in the conventional scanning sonar detection method, an ultrasonic pulse is transmitted using a single frequency within a predetermined detection range, and a reflected wave from a target or the like is sequentially received for each predetermined direction, whereby a predetermined cross section is obtained. A detection image is obtained. Therefore, horizontal mode transmission beam formation control and reception beam formation control are performed for the horizontal mode detection image, and transmission beam formation control and reception beam for the vertical mode are performed for vertical mode detection. It was necessary to repeat the operation of controlling the formation of the film alternately.
[0006]
For this reason, the detection image update cycle is delayed, and a detection image that changes quickly cannot be obtained. Even if each detection image in the horizontal mode and the vertical mode is displayed on a single display screen, the two detection images are not detection images at the same time or in close proximity to each other. When the horizontal mode detection image is compared with the vertical mode detection image for interpretation, there is a case where it is difficult to grasp the correspondence between the images.
[0007]
The above-mentioned problem is not limited to the case where the detection images in the two modes of the horizontal mode and the vertical mode are obtained at the same time, but in the horizontal direction that is a direction tilted from the horizontal or horizontal by a predetermined angle and the direction that is tilted from the vertical or vertical by a predetermined angle This is also a problem that occurs when a certain target in the vertical direction is detected simultaneously or in close proximity.
[0008]
In addition, when performing transmission / reception of ultrasonic signals for target detection and reception of ultrasonic signals transmitted for other purposes in parallel, interference between received signals can be prevented. is important. Conventionally, for example, at the timing of transmitting / receiving a tidal current measurement ultrasonic signal or transmitting / receiving a fish detection ultrasonic signal, control for temporarily stopping the detection operation as a scanning sonar has been performed. However, in this case, the detection operation becomes intermittent, and the detection cannot be performed in a short cycle.
[0009]
An object of the present invention is to perform an ultrasonic detection operation in a horizontal direction or a vertical direction by transmitting and receiving an ultrasonic signal in a short period of time, and to prevent interference from a received signal other than a desired received signal. It is to provide a transmission / reception device and a scanning sonar.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  This inventionA plurality of detection ranges extending in the horizontal direction or the vertical direction by driving a plurality of transducers arranged in the transducer to form a transmission beam and controlling signals received by the plurality of transducers of the transducer to form a reception beam In the ultrasonic transmission / reception apparatus that performs the detection by the transmission beam and the reception beam at different frequencies for each detection range,
Programmable transmission beam forming control means for generating a waveform related to a drive signal to be given to the vibrator for forming a transmission beam corresponding to each of a plurality of detection ranges;
Transmitting means for driving the vibrator by a drive signal based on the waveform to form the transmission beam;
Receiving means for amplifying the received signal by the vibrator and converting it to a digital signal;
Programmable reception beam forming control means for generating a combined reception signal corresponding to each of a plurality of detection ranges, combining the digital signal by performing a phase control calculation that determines the direction of the reception beam;
Programmable filter means for generating filter coefficients of frequencies corresponding to each of a plurality of detection ranges, performing a filter operation on each combined reception signal based on those filter coefficients, and extracting frequency components of each detection range as reception signals; ,
An input unit for instructing the detection range;
A control unit for controlling the programmable transmission beamforming control unit, the programmable reception beamforming control unit, and the programmable filter unit according to the instruction content of the input unit,
With.
[0011]
In this way, a transmission beam is simultaneously formed in a plurality of horizontal or vertical directions using one transducer. Even if the ultrasonic transmission beams are simultaneously formed in these multiple directions, the respective frequencies are different, and the frequency component corresponding to the frequency of the transmission signal is extracted from the reception signal. Even if reflected signals from a plurality of directions are received simultaneously, they are not affected by mutual interference.
[0012]
Further, the present invention is characterized in that the transmission beam forming means simultaneously transmits different frequency signals for each of the transmission beams to form a transmission beam. As a result, the transmission beam forming period (transmission signal transmission period) is not lengthened, but is the same as the period in which the transmission beam is formed in a single direction to be detected, and detection can be performed at short time intervals.
[0013]
Further, according to the present invention, the transmission beam forming means forms a transmission beam by time-sharing for each transmission beam during the transmission beam forming period, and the reception beam forming means receives the receiving beam following the transmission beam forming period. The reception signal is extracted during the formation period. That is, the sequence of forming a transmission beam in one direction to be searched and forming a reception beam to receive a reflected signal from the direction of the transmission beam is not sequentially performed in a plurality of directions. During a series of transmission beam formation periods, a transmission beam is sequentially formed in a plurality of horizontal or vertical directions to be detected, and reception signals for each direction are received in a reception beam formation period following the transmission beam formation period. To extract. Therefore, the detection time interval does not become long, and detection in a plurality of directions in the horizontal direction or the vertical direction can be performed in a short period cycle. In addition, since each transducer of the transducer is driven at a single frequency, transmission power is not sacrificed, and detection up to a long distance is possible.
[0014]
The present invention also provides means for generating the transmission beam forming means as a signal obtained by subjecting the waveform of a drive signal to be applied to the vibrator to pulse width modulation (PDM), and the pulse width modulated signal. And a means for driving the vibrator by converting the analog signal into an analog signal,
Means for amplifying a reception signal by the vibrator and converting it into a digital signal; means for performing a phase control calculation for determining a direction of a reception beam for the digital signal; and And means for performing a filter operation for extracting components.
[0015]
This facilitates data transmission to the vibrator drive circuit provided for each vibrator and makes it less susceptible to noise. In addition, since a digital signal is obtained for each received signal of each transducer, transmission of the received signal of each transducer to the processing unit is facilitated, and phase control and filtering are performed by digital computation, so that the influence of noise is reduced. It becomes difficult to receive.
[0016]
  The present invention also includes a transducer in which a plurality of transducers are arranged, and a transmission beam forming unit that drives the plurality of transducers of the transducers to form an ultrasonic transmission beam in a plurality of horizontal or vertical directions. An ultrasonic transmission / reception device that performs detection in the horizontal direction or the vertical direction, comprising: a reception beam forming unit that controls a signal received by a plurality of transducers of the transducer to form a reception beam;
  The transducer is an array of the plurality of vibrators on a cylindrical surface or a spherical surface,
  The transmission beam forming means includes means for generating a waveform of a drive signal to be given to the vibrator as a pulse width modulated signal, and converts the pulse width modulated signal into an analog signal and amplifies the vibrator to convert the vibrator. A transmission beam having a predetermined transmission frequency by varying the driving frequency of the transducer for each transmission beam.What to do,
  The reception beam forming means amplifies a signal received by the vibrator and converts it into a digital signal, and performs a phase control calculation for determining the direction of the reception beam on the digital signal.To generate a composite received signalWhen,For the combined received signalPerforms a filter operation to extract the transmission frequency component.do itA frequency component corresponding to the transmission frequency of the transmission beam is extracted as a reception signal.Consists of bandpass filter means.
[0017]
  The scanning sonar according to the present invention sequentially scans the azimuth to be searched by the ultrasonic transmission / reception apparatus and the transmission control means and reception control means of the ultrasonic transmission / reception apparatus, and detects from the received signals in each direction. Means for obtaining detected image data of a range and displaying the detected image data.
  Further, the ultrasonic transmission / reception device of the present invention drives a transducer in which a plurality of transducers are arranged, and a plurality of transducers of the transducer respectively corresponding to different frequencies with the detection signals of the different frequencies, A transmission beam forming means for forming a transmission beam of an ultrasonic wave with respect to a wide range search region in the horizontal direction and a wide range search region in the vertical direction, and signals received by a plurality of transducers of the transducer, Receiving beam forming means for forming a plurality of reception beams in different directions in the horizontal and vertical wide-range exploration areas and extracting a frequency component corresponding to the transmission frequency of the transmission beam as a reception signal; Features.
  Further, the ultrasonic transmission / reception device of the present invention drives a transducer in which a plurality of transducers are arranged, and a plurality of transducers of the transducer respectively corresponding to different frequencies with the detection signals of the different frequencies, Transmission beam forming means for respectively forming ultrasonic transmission beams for different two-directional wide-range exploration areas, and signals received by a plurality of transducers of the transducer, Receiving beam forming means for forming a plurality of receiving beams in different directions and extracting a frequency component corresponding to the transmission frequency of the transmitting beam as a received signal;
  Further, an ultrasonic transmission / reception apparatus according to the present invention includes a transducer in which a plurality of transducers are arranged, a transmission unit that drives the plurality of transducers of the transducer and transmits an ultrasonic signal to a wide-range exploration region, It is characterized by comprising reception beam forming means for controlling signals received by a plurality of transducers of the transducer and forming a plurality of reception beams in directions different from each other in a plurality of wide range search areas.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The scanning sonar of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of a transducer used in a scanning sonar. As shown in FIG. 1, the transducer 1 is configured by a total of 320 ultrasonic transducers Aij (i = 1 to 64, j = 1 to 5) in 64 stages and 5 stages. The transducer 1 is installed at the bottom of the ship so that the axis of the cylinder is vertical.
[0019]
FIG. 2 is a diagram for explaining a transmission beam. (A) of the figure shows the directivity of the transmission beam formed when exploring all horizontal directions. (B) shows a transmission beam formed when searching all directions of a predetermined tilt angle. When driving each transducer, the umbrella-shaped transmission beam is tilted downward by a predetermined angle by increasing the delay time in the lower stage of the transducer 1.
[0020]
FIG. 3 is a diagram showing a reception beam. The reception beam uses a plurality of rows of transducers in the circumferential direction of the transducer 1 as a set. As shown in (B), when synthesizing the reception signals of a predetermined number of consecutive rows of transducers, as shown in FIG. Sharpen the directivity in the horizontal direction. Further, by setting a delay time in the step direction of the transducer 1, the tilt angle is controlled and the directivity in the vertical direction is also sharpened. As a result, a so-called pencil-type receiving beam is formed.
(C) is an example in which the delay time is constant. As shown in (D), the received beam is directed horizontally. (E) is an example in which the delay time is increased in the lower stage, and as shown in (F), the reception beam is tilted downward.
[0021]
In this way, an umbrella-type transmission beam is formed, and a predetermined direction in the transmission beam is received by a pencil-type reception beam, thereby detecting the umbrella-type detection range.
[0022]
FIG. 4 is a diagram showing a detection range by the transmission beam and the reception beam. Here, TB is an umbrella-type transmission beam, and RB is a pencil-type reception beam. If the number of pairs of transducers in the column direction of the transducer 1 is 64, the reception beam RB can be formed with 64 resolutions in the azimuth direction. In the distance direction, detection image data is sequentially generated for an arbitrary section P in the transmission beam TB with a resolution corresponding to the sampling period on the time axis.
[0023]
In FIG. 4, detection in the horizontal direction is performed by tilting the transmission beam in the horizontal (θ = 90 °) direction or a predetermined angle therefrom.
[0024]
In the example described above, a transducer in which a plurality of vibrators are arranged on a cylindrical surface is used. However, a transducer in which a plurality of vibrators are arranged on the entire spherical surface or a part of the surface may be used.
[0025]
FIG. 5 is a diagram illustrating an example in which detection in the vertical direction is performed using the transducer. 5A and 5B show a detection range of a vertical plane that forms a bearing angle α with respect to the heading indicated by an arrow. (A) is an example in which a cylindrical transducer 1 is used, and (B) and (C) are examples in which a spherical transducer 1 ′ is used.
[0026]
Thus, in the detection in the vertical direction, a range that extends in a fan shape in the vertical direction is detected. However, when the cylindrical transducer 1 is used, since the transmission beam and the reception beam cannot be formed in the downward direction, the vicinity below the detection target is not detected.
FIG. 5C shows an example in which a spherical transducer 1 ′ is used to detect 90 ° from directly below to the horizontal direction.
[0027]
  In this way, a transmission beam that extends in a fan shape is formed along the vertical plane forming the predetermined bearing angle α shown in FIG. 5, and the tilt angle of the pencil-type reception beam is sequentially changed at high speed along the fan shape. By means of scanning the received beam, i.e. longitudinal detectionTheDo.
[0028]
FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the transmission / reception channel of the scanning sonar. In FIG. 6, the driver circuit 12 converts a pulse width modulated binary transmission signal supplied from a control unit, which will be described later, into an analog signal via interfaces 20 and 11. The TX amplifier circuit 13 amplifies the transmission signal and drives the vibrator 10 via the transmission / reception switching circuit 14. The transmission / reception switching circuit 14 guides the output signal of the TX amplifier circuit 13 to the vibrator 10 during the transmission period, and guides the signal output from the vibrator 10 to the preamplifier 15 as the reception signal during the reception period. The preamplifier 15 amplifies the received signal, and the bandpass filter 16 removes noise components other than the frequency band of the received signal. The A / D converter 17 samples the signal in the reception frequency band at a predetermined sampling period, and converts it into a digital data string.
[0029]
The transmission / reception channel 100 is constituted by the above-mentioned part. As shown by 100a, 100b,... 100n, as many transmission / reception channels as the number of transducers 10 are provided.
[0030]
FIG. 7 is a block diagram for forming a transmission beam and a reception beam using the plurality of transmission / reception channels 100 shown in FIG. 6 and generating a detection image in a predetermined detection range. The interface 20 in FIG. 7 is the interface 20 shown in FIG. In FIG. 7, reference numeral 26 denotes a programmable transmission beam forming control unit. The programmable transmission beamforming control unit 26 includes a transmission signal generation circuit 21, a waveform memory 24, and a TX-DSP 25. The transmission signal generation circuit 21 is provided with a timing generator 22 and a coefficient table 23. The transmission signal generation circuit 21 is composed of an FPGA (Field Programmable Gate Array). The timing generator 22 generates a signal that serves as a reference for the generation timing of the transmission signal. The coefficient table 23 is written in advance with the delay amount and weight value (this is calculated and calculated by the TX-DSP 25) to be given to each channel of the vibrator. The waveform memory 24 is a memory that temporarily stores a waveform that is the basis of a transmission signal. The TX-DSP 25 is a transmission signal generating DSP (digital signal processor). The TX-DSP 25 generates binary waveform data subjected to pulse width modulation by the PDM, and writes this into the waveform memory 24. The TX-DSP 25 calculates and updates the content of the coefficient table 23 every transmission. The transmission signal generation circuit 21 reads the waveform data from the waveform memory 24, refers to the coefficient table 23, and provides a pulse width modulated binary transmission signal to the transmission / reception channel 100 via the interface 20.
[0031]
The buffer memory 27 is a memory that temporarily stores received data from each channel via the interface 20. Reference numeral 28 denotes a programmable receive beam forming control unit, which is composed of an RX-DSP 29, a coefficient table 30, and a receive beam forming calculating unit 31. The RX-DSP 29 calculates the phase and weight of the reception signal from each transducer for each reception beam, and writes it to the coefficient table 30. The reception beam forming arithmetic unit 31 obtains a combined reception signal by calculating and combining the phase and weight written in the coefficient table 30 with respect to the reception signal of each transducer. This combined received signal is obtained as time-series data for each beam and is written in the buffer memory 32. The reception beam forming arithmetic unit 31 is composed of an FPGA.
[0032]
In the above example, the signals received by a plurality of transducers are phase-controlled to form a reception beam in a predetermined direction. However, a delay method in which a delay circuit for delaying the signals of each transducer may be provided. . Further, a matched filter method may be used in which the Doppler shift is given to the received signal in advance and the direction of the received beam is controlled by applying a matched filter to the received signal.
[0033]
Reference numeral 33 denotes a programmable filter, which includes a filter DSP 34, a coefficient table 35, and a filter calculation unit 36. The filter calculation unit 36 is made of FPGA. The filter DSP 34 calculates a filter coefficient for obtaining a predetermined passband filter characteristic for each beam, and writes it in the coefficient table 35. The filter calculation unit 36 performs a calculation as a FIR (Finite Impulse Response) filter based on the coefficients of the coefficient table 35 to obtain a band-processed received signal.
[0034]
The envelope detector 40 detects the envelope (envelope) of the band-processed received signal of each received beam. Specifically, it is detected by obtaining the square root of the sum of the square of the real component and the square of the imaginary component of the time waveform.
[0035]
The image processing unit 41 converts the received signal intensity at each distance of each received beam into image information and outputs the image information to the display 42. As a result, a detection image within a predetermined detection range is displayed on the display 42.
[0036]
The operation unit 39 is an input unit that gives instructions such as a tilt angle of the detection range. The host CPU 37 reads the instruction content of the operation unit 39 via the interface 38 and controls each unit described above.
[0037]
FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of driver circuit 12 shown in FIG. FIG. 9 is a waveform diagram of each part.
In FIG. 8, Qa to Qd are MOS transistors, Ls is a level shift circuit that outputs a gate voltage of a predetermined level to the gates of the transistors Qa and Qb, and I is an inverter that outputs a gate voltage to the gates of the transistors Qc and Qd. This is a circuit (NOT gate). Di is a diode for absorbing a surge voltage generated between the drain and source when the transistors Qa to Qd are turned off.
[0038]
In FIG. 8, when a rectangular wave signal is input to IN1 and IN2, voltage signals at points A to D are as shown in FIG. When the signals A to D are at a high level, the transistors Qa to Qd using the gate voltage as a gate voltage are turned on. When the signals A to D are at a low level, the transistors Qa to Qd are turned off. Accordingly, voltage signals as shown in FIG. 9 are output from the output terminals OUT1 and OUT2. A difference voltage (OUT1-OUT2) between the two output voltages OUT1 and OUT2 is obtained as an output signal.
[0039]
If the on-duty ratio of the input signals IN1 and IN2 is increased, the on-periods of the transistors Qa and Qb are lengthened, and the positive voltage period and negative voltage period of (OUT1-OUT2), that is, periods other than 0 volts are lengthened. As a result, demodulation of pulse width modulation is performed.
[0040]
9, (a) to (d) show the relationship between the output waveform of (OUT1-OUT2) and a waveform obtained by smoothing it. When the waveform of (OUT1-OUT2) is shown in (a), the smooth signal is as shown in (b). When the waveform of (OUT1-OUT2) is (c), the smooth signal is as shown in (d). In this way, a sine wave signal having an amplitude substantially proportional to the on-duty ratio of the input signals IN1 and IN2 is obtained.
[0041]
FIG. 10 shows a timing chart during the scanning sonar detection operation. In FIG. 10, “transmission signal” represents a drive waveform (transmission signal) given to one transducer among a plurality of transducers of the transducer. In this example, a transmission signal having a frequency f1 (for example, 23 kHz) is used as a transmission signal for the horizontal mode, and a signal having a frequency f2 (for example, 25 kHz) is output as a transmission signal for the V mode. The two transmission signals are transmitted one after another during the transmission beam forming period.
[0042]
“Received A / D data” is time-series data converted by the A / D converter 17 shown in FIG. Time series data from each channel is processed during the receive beam forming period.
The “RXBMF output” forms an H-mode receive beam that performs horizontal detection and a V-mode receive beam that performs vertical detection, respectively, by the process of the programmable receive beam forming control unit 28 illustrated in FIG. 7. . When the programmable receive beam forming control unit 28 has the capability of forming 128 receive beams, 64 beams are assigned for the H mode and 64 beams are assigned for the V mode. In the V mode, 64 receive beams are formed in a predetermined angle range.
[0043]
“Filter output” performs frequency filtering corresponding to the H mode and the V mode for each received beam. That is, in order to extract the signal of the reception beam for H mode, a frequency component having a predetermined bandwidth with 23 kHz as the center frequency is extracted. Further, in order to extract a signal of a V-mode reception beam, frequency components in a predetermined frequency band centered on 25 kHz are extracted.
[0044]
In the “drawing process”, the envelope detection unit 40 shown in FIG. 7 detects the envelope of the reception beams in both modes thus obtained, and the image processing unit 41 generates H-mode and V-mode image data. This is displayed on the display 42.
[0045]
The above transmission beam forming period and the subsequent receiving beam forming period are set as one sequence and this is repeated. Since the transmission timing for the H mode indicated by f1 and the transmission signal for the V mode indicated by f2 are different, the time difference is corrected at the time of drawing processing in the H mode and the V mode.
[0046]
In the above example, two transmission beam forming transmission signals are transmitted in a time division manner during the transmission beam forming period, but they may be transmitted simultaneously. FIG. 11 shows an example in that case. In FIG. 11, f1 and f2 are transmission signals that form a transmission beam in the horizontal direction and the vertical direction. f1 + f2 represents the combined signal of both signals as a waveform. For example, if f1 is a signal for the H mode and f2 is a signal for the V mode, a detection image of the H mode and the V mode can be formed by such transmission of the transmission signal once.
[0047]
In the example described above, the case where the detection is performed for the two modes of the H mode and the V mode has been described. However, the same applies to the case where the detection is performed simultaneously on a plurality of cross sections having different tilt angles, for example, only in the H mode. Applicable to.
[0048]
For example, FIG. 12 shows an example in which three transverse transmission beams having different tilt angles are formed simultaneously. These three transmission beams H1, H2, and H3 have different transmission frequencies, and when receiving beams are formed, frequency components corresponding to the transmission frequencies of the three transmission beams H1, H2, and H3 are extracted as reception signals, respectively. To do.
[0049]
As shown in FIG. 10, when transmitting transmission signals having different frequencies for each transmission beam in a time-division manner, three tone burst waves having different frequencies are sequentially transmitted. As shown in FIG. 11, when a composite signal of a plurality of transmission signals is transmitted, a composite signal obtained by combining three tone burst waves having different frequencies is transmitted.
This makes it possible to detect the cross sections of the three transmission beams at the same time. The same applies to the case where four or more transmission beams are formed.
[0050]
For example, FIG. 13 shows an example in which two vertical transmission beams having different azimuth angles are formed simultaneously. These two transmission beams V1 and V2 have different transmission frequencies, and when receiving beams are formed, frequency components corresponding to the transmission frequencies of the two transmission beams V1 and V2 are extracted as reception signals, respectively.
[0051]
As a result, it is possible to simultaneously detect the cross sections of the two longitudinal transmission beams. The same applies to the case where three or more transmission beams are formed.
[0052]
For example, FIG. 14 shows an example in which two vertical transmission beams V1 and V2 having different azimuth angles and one horizontal transmission beam H1 are formed simultaneously. These three transmission beams V1, V2, and H1 have different transmission frequencies. When receiving beams are formed, frequency components corresponding to the transmission frequencies of the three transmission beams V1, V2, and H1 are used as reception signals, respectively. Extract.
[0053]
Thus, it is possible to simultaneously detect the cross sections of the two vertical transmission beams V1 and V2 and the cross section of one horizontal transmission beam H1. In the example shown in FIG. 14, each school of fish is displayed in a screen displaying two vertical cross sections, and two fish schools are displayed in a screen displaying one cross section in the horizontal direction.
[0054]
Further, the above example shows a case where a detection image in a cross section by a transmission beam is obtained by scanning the inside of a transmission beam having a certain spread with a reception beam. It is not limited to transmission / reception of ultrasonic signals for formation. For example, it is also effective in the case where transmission / reception of tidal current measurement ultrasonic signals and transmission / reception of fish detection ultrasonic signals are performed in parallel with the detection operation as a scanning sonar. In other words, transmission / reception of tidal current measurement ultrasonic signals, transmission / reception of fish detection ultrasonic signals, and transmission / reception for scanning sonar detection are performed by using different ultrasonic signal frequencies. You may make it carry out simultaneously.
[0055]
In addition, for example, when receiving a signal from another ultrasonic signal transmission device such as a netsonde or a net recorder, a signal transmitted from the ultrasonic signal transmission device is used as the frequency of the transmission / reception signal for target detection. By changing the frequency, the detection can be performed without interference.
[0056]
【The invention's effect】
According to this invention, the transmission beam forming means forms the transmission beam of the transmission frequency by changing the drive frequency of the transducer in each of the horizontal direction and the vertical direction, and the reception beam forming means sets the transmission frequency of the transmission beam to the transmission frequency. Since the corresponding frequency component is extracted as a reception signal, even if a plurality of ultrasonic transmission beams are simultaneously formed, there is no influence of mutual interference due to simultaneous reception of the plurality of transmission signals.
[0057]
According to the present invention, the transmission beam forming means simultaneously forms the transmission beam in the horizontal direction and the vertical direction, so that the transmission beam forming period is not lengthened and detection can be performed at short time intervals.
[0058]
Further, according to the present invention, the transmission beam forming means forms a transmission beam by time-sharing in the horizontal direction and the vertical direction during the transmission beam forming period, and the reception beam forming means is used during the transmission beam forming period. By extracting the reception signal during the subsequent reception beam forming period, the detection time interval is not lengthened, and detection in the horizontal and vertical directions can be performed in a short period. In addition, since each transducer of the transducer is driven at a single frequency, transmission power is not sacrificed, and detection up to a long distance is possible.
[0059]
Further, according to the present invention, the means for generating the waveform of the drive signal to be applied to the vibrator as a pulse width modulated signal, and converting and amplifying the pulse width modulated signal into an analog signal Since the transmission beam is formed by providing the driving means, data transmission to the transducer drive circuit provided for each transducer is facilitated, and it is less susceptible to noise. Furthermore, means for amplifying the received signal from the transducer and converting it to a digital signal, means for performing a phase control calculation for determining the direction of the received beam on the digital signal, and filter calculation for extracting the component of the transmission frequency A receiving beam is formed, so that a digital signal is obtained for each received signal of each transducer, and transmission of the received signal of each transducer to the processing unit is facilitated. Since phase control and filtering are performed by digital calculation, it is less susceptible to noise.
[0060]
Further, according to the present invention, the azimuth to be searched is sequentially scanned under the control of the ultrasonic transmission / reception apparatus and the transmission control means and reception control means of the ultrasonic transmission / reception apparatus, and the detection range is detected from the reception signal of each direction. By obtaining and displaying the detection image data, it becomes possible to easily detect detection images in a plurality of detection directions at a short time period and at substantially the same time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration example of a transducer.
FIG. 2 is a diagram for explaining the formation of a transmission beam;
FIG. 3 is a diagram for explaining formation of a reception beam;
FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a transmission beam, a reception beam, and a detection range.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a detection range during vertical detection.
FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration of a transmission / reception channel of a scanning sonar.
FIG. 7 is a block diagram of a control unit that controls transmission / reception channels of the scanning sonar.
8 is a diagram showing a configuration of a driver circuit in FIG. 6;
9 is a waveform diagram of each part in FIG.
FIG. 10 is a timing chart for scanning sonar.
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a transmission signal obtained by multiplexing two frequency signals.
FIG. 12 is a diagram showing an example in which three transverse transmission beams having different tilt angles are formed simultaneously;
FIG. 13 is a diagram showing an example in which two longitudinal transmission beams having different azimuth angles are formed simultaneously;
FIG. 14 is a diagram showing an example in which two longitudinal transmission beams V1 and V2 having different azimuth angles and one lateral transmission beam H1 are simultaneously formed.
[Explanation of symbols]
1,1'-Transducer
10-vibrator
21-Transmission signal generation circuit
26-Programmable transmit beamforming controller
28-Programmable Receive Beamforming Controller
33-Programmable filter
100-Transmit / receive channel

Claims

トランスデューサに配列した複数の振動子を駆動して送信ビームを形成し、前記トランスデューサの複数の振動子が受けた信号を制御して受信ビームを形成し、横方向または縦方向へ広がる複数の探知範囲の前記送信ビームと前記受信ビームとによる探知を、探知範囲毎に異なる周波数で行う超音波送受信装置において、
複数の探知範囲それぞれに対応する送信ビームを形成するための、前記振動子に与えるべき駆動信号に関する波形を生成するプログラマブル送信ビーム形成制御手段と、
該波形に基づく前記駆動信号により前記振動子を駆動し、前記送信ビームを形成する送信手段と、
前記振動子による受信信号を増幅し、ディジタル信号に変換する受信手段と、
前記ディジタル信号に対して、受信ビームの方向を定める位相制御演算を施して合成し、複数の探知範囲それぞれに対応する合成受信信号を生成するプログラマブル受信ビーム形成制御手段と、
複数の探知範囲それぞれに対応する周波数のフィルタ係数を生成し、それらのフィルタ係数に基づいて、各合成受信信号にフィルタ演算を施して各探知範囲の周波数成分を受信信号として抽出するプログラマブルフィルタ手段と、
前記探知範囲を指示する入力部と、
前記入力部の指示内容に従って、前記プログラマブル送信ビーム形成制御手段と前記プログラマブル受信ビーム形成制御手段と前記プログラマブルフィルタ手段とを制御する制御部と、
を備える超音波送受信装置。 A plurality of detection ranges extending in the horizontal direction or the vertical direction by driving a plurality of transducers arranged in the transducer to form a transmission beam and controlling signals received by the plurality of transducers of the transducer to form a reception beam In the ultrasonic transmission / reception apparatus that performs the detection by the transmission beam and the reception beam at different frequencies for each detection range ,
Programmable transmission beam forming control means for generating a waveform related to a drive signal to be given to the vibrator for forming a transmission beam corresponding to each of a plurality of detection ranges;
Transmitting means for driving the vibrator by the drive signal based on the waveform to form the transmission beam;
Receiving means for amplifying the received signal by the vibrator and converting it to a digital signal;
Programmable reception beam forming control means for generating a combined reception signal corresponding to each of a plurality of detection ranges, combining the digital signal by performing a phase control calculation that determines the direction of the reception beam;
Programmable filter means for generating filter coefficients of frequencies corresponding to each of a plurality of detection ranges, performing a filter operation on each combined reception signal based on those filter coefficients, and extracting frequency components of each detection range as reception signals; ,
An input unit for instructing the detection range;
A control unit for controlling the programmable transmission beamforming control unit, the programmable reception beamforming control unit, and the programmable filter unit according to the instruction content of the input unit,
An ultrasonic transmission / reception apparatus.

前記送信手段は、各探知範囲に対応する送信ビームを同時に送信する請求項１に記載の超音波送受信装置。The ultrasonic transmission / reception apparatus according to claim 1, wherein the transmission unit transmits a transmission beam corresponding to each detection range simultaneously.

前記送信手段は、送信ビームの形成期間中に各探知範囲に対応する送信ビームを時分割して送信し、前記受信手段は、前記送信ビームの形成期間に続く受信ビームの形成期間に各探知範囲の周波数成分を各合成受信信号から抽出する請求項１に記載の超音波送受信装置。Said transmitting means transmits time-divided transmission beam corresponding to the detection range during formation of the transmit beam, the receiving means, each detection ranges in the formation period of the receive beam following the formation period of the transmit beam The ultrasonic transmission / reception apparatus according to claim 1, wherein the frequency component is extracted from each synthesized reception signal .

各探知範囲は、それぞれ異なるティルト角で方位方向へ広がる横方向である請求項１〜３のいずれかに記載の超音波送受信装置。 The ultrasonic transmission / reception apparatus according to claim 1, wherein each detection range is a lateral direction extending in the azimuth direction at a different tilt angle.

各探知範囲は、所定ティルト角で方位方向へ広がる横方向と、所定方位角で縦方向へ広がる縦方向とを含むものである請求項１〜３のいずれかに記載の超音波送受信装置。4. The ultrasonic transmission / reception apparatus according to claim 1 , wherein each detection range includes a lateral direction extending in an azimuth direction at a predetermined tilt angle and a vertical direction extending in a vertical direction at a predetermined azimuth angle.

各探知範囲は、それぞれティルト角の異なる複数の横方向、または、それぞれ方位角の異なる複数の縦方向、を含むものである請求項５に記載の超音波送受信装置。 The ultrasonic transmission / reception apparatus according to claim 5 , wherein each detection range includes a plurality of horizontal directions with different tilt angles or a plurality of vertical directions with different azimuth angles.

前記プログラマブル送信ビーム形成制御手段は、前記振動子に与えるべき駆動信号の波形をパルス幅変調した信号として生成する手段であり、
前記送信手段は、該パルス幅変調された信号をアナログ信号に変換するとともに増幅して前記振動子を駆動する手段である、請求項１〜６のいずれかに記載の超音波送受信装置。The programmable transmission beam forming control means is means for generating a pulse width modulated signal of a waveform of a drive signal to be given to the vibrator ,
The ultrasonic transmission / reception apparatus according to claim 1, wherein the transmission unit is a unit that converts the pulse width modulated signal into an analog signal and amplifies the signal to drive the transducer.

前記トランスデューサは、複数の振動子を円筒面上または球面上に配列したものである請求項１〜７のいずれかに記載の超音波送受信装置。 The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the transducer includes a plurality of transducers arranged on a cylindrical surface or a spherical surface .

請求項１〜８のいずれかに記載の超音波送受信装置と、該超音波送受信装置の受信ビーム形成手段の制御により、各探知範囲内での探知すべき方位を順次走査して、各方位の受信信号から、各探知範囲の探知画像データを求め、該探知画像データを表示する手段とを備えたスキャニングソナー。The azimuth to be detected within each detection range is sequentially scanned by controlling the ultrasonic transmission / reception device according to any one of claims 1 to 8 and the reception beam forming unit of the ultrasonic transmission / reception device. A scanning sonar comprising: means for obtaining detection image data of each detection range from a received signal and displaying the detection image data.